第三节-钢结构构件.

第三节钢结构构件一、轴心受力构件1轴心受力构件的应用和截面形式轴心受力构件的截面形式有三种：第一种是热轧型钢截面，如图(a)中的工字钢、H型钢、槽钢、角钢、T型钢、圆钢、圆管、方管等；第二种是冷弯薄壁型钢截面，如图(b)中冷弯角钢、槽钢和冷弯方管等；第三种是用型钢和钢板或钢板和钢板连接而成的组合截面，如图(c)所示的实腹式组合截面和图(d)所示的格构式组合截面等。2轴心受力构件的强度和刚度强度轴心受力构件的强度应以净截面的平均应力不超过钢材的屈服强度为准则：fANn（4-1）式中N——轴心力设计值；An——构件的净截面面积；f——钢材的抗拉、抗压强度设计值。图4-2孔洞处截面应力分布(a)弹性状态应力；(b)极限状态应力(a)(b)NNNN0max=30fy刚度刚度通过限制构件的长细比来实现。il0（4-2）式中——构件长细比，对于仅承受静力荷载的桁架为自重产生弯曲的竖向平面内的长细比，其它情况为构件最大长细比；l0——构件的计算长度；i——截面的回转半径；[]——构件的容许长细比，见表4-1和4-2。3实腹式轴心受压构件的整体稳定计算对于初弯曲、初偏心和残余应力的影响，考虑到材料的弹塑性性能，用数值积分法求得构件的极限强度Nu，相应的稳定系数=Nu/(Afy)。按照概率统计理论，影响柱承载力的几个不利因素，其最大值同时出现的可能性是极小的。轴心受压构件应按下式计算整体稳定：fAN（4-3）式中N——轴心受压构件的压力设计值；A——构件的毛截面面积；——轴心受压构件的稳定系数；f——钢材的抗压强度设计值。轴心受压构件的整体稳定系数φ研究成果重庆建筑大学与西安科技大学图GB50017的柱曲线为便于计算，规范根据构件的长细比、钢材屈服强度和截面分类编制了计算表格。P486另外，稳定系数值可以用Perry公式4轴心受压构件的局部稳定•在外压力作用下，截面的某些部分（板件），不能继续维持平面平衡状态而产生凸曲现象，称为局部稳定实腹式轴心受压构件的局部稳定计算板件宽厚比的规定是基于局部屈曲不先于整体屈曲考虑的，经分析并简化得到工形截面和H形截面的板件的宽厚比：（1）翼缘宽厚比yftb/2351.010/（4-7）式中取构件两方向长细比的较大值。当＜30时，取＝30；当＞100时，取＝100。（2）腹板高厚比ywfth/2355.025/0（4-8a）式中h0和tw分别为腹板的高度和厚度，取构件两方向长细比的较大值。当＜30时，取＝30；当＞100时，取＝100。（3）对热轧剖分T型钢截面和焊接T型钢截面，翼缘的宽厚比限值同工字钢或H型钢，为式（4-7），腹板的高厚比限值分别为式（4-8b）和（4-8c）：热轧剖分T型钢截面：ywfth/2352.015/0（4-8b）焊接T型钢截面：ywfth/2357.013/0（4-8c）式中的取值同式（4-8a）。（4）对箱形截面中的板件(包括双层翼缘板的外层板)其宽厚比限值偏于安全地取yf/23540，不与构件长细比发生关系。（5）对圆管截面是根据管壁的局部屈曲不先于构件的整体屈曲确定，考虑材料的弹塑性和管壁缺陷的影响，根据理论分析和试验研究，得出其径厚比限值为yftD/235100/（4-9）【1】某焊接工字形截面柱，截面几何尺寸如图所示。柱的上、下端均为铰接，柱高4.2m，承受的轴心压力设计值为1000kN，钢材为Q235，翼缘为火焰切割边，焊条为E43系列，手工焊。试验算该柱是否安全。解：已知lx=ly=4.2m，f=215N/mm2。计算截面特性：A=2×25×1＋22×0.6=63.2cm2，Ix=2×25×1×11.52＋0.6×223/12=7144.9cm4，Iy=2×1×253/12=2604.2cm4，cm63.10/AIixx，cm42.6/AIiyy。验算整体稳定、刚度和局部稳定性x=lx/ix=420/10.63=39.5[]=150，y=ly/iy=420/6.42=65.4[]=150，截面对x轴和y轴为b类，查稳定系数表可得，x=0.901，y=0.778，取=y=0.778，则22N/mm215N/mm4.203102.63778.01000fAN翼缘宽厚比为b1/t=(12.5－0.3)/1=12.210＋0.1×65.4=16.5腹板高厚比为h0/tw=(24－2)/0.6=36.725+0.5×65.4=57.7构件的整体稳定、刚度和局部稳定都满足要求。图4-4例题4-1xyNN4200250240101065、格构式轴心受压构件计算1格构式轴心受压构的截面形式格构式轴心受压构件通过缀材连成整体，一般使用型钢做肢件，如槽钢、工字钢、角钢等，对于十分强大的柱，肢件可采用焊接工字形截面。缀材由缀条和缀板两种。用单角钢做缀条。缀板由钢板组成，构件的截面上与肢件腹板相交的轴线称为实轴与缀材平面相垂直的轴称为虚轴abcd格构式轴心压杆截面形式yyxyyxyyxyyx格构式轴心受压构件绕虚轴失稳的换算长细比格构式轴心受压构件绕实轴的计算与实腹式构件相同，但绕虚轴的计算不同，绕虚轴屈曲时的稳定承载力比相同长细比的实腹式构件低。经理论分析，可以用换算长细比0x代替对x轴的长细比x来考虑剪切变形对临界荷载的影响。对于双肢格构式构件，换算长细比为缀条构件xxxAA120/27（4-10）缀板构件2120xx（4-11）式中x——整个构件对虚轴（x轴）的长细比；A——整个构件的毛截面面积；A1x——构件截面中垂直于x轴各斜缀条的毛截面面积之和；1——单肢对于平行于虚轴的形心轴的长细比，计算长度焊接时取缀板净距（图4-6中之l1），当用螺栓或铆钉连接时取缀板边缘螺栓中心线之间距离。柱通常由柱头、柱身和柱脚三部分组成柱脚构造柱脚构造二受弯构件设计•1梁的类型•楼盖梁、工作平台梁、吊车梁、墙架梁及檩条•钢梁按制作方法的不同分为型钢梁和焊接组合梁•型钢梁分普通工字钢、槽钢、热轧H型钢•按梁的支承情况可将梁分为简支梁、连续梁、悬臂梁等蜂窝梁在工程实践中也有较多应用，该梁能够有效节省钢材，而且腹板空洞可作为设备通道。如图所示，将工字钢、H型钢或焊接组合工字钢沿腹板折线状切开，然后错动半个折线或颠倒重新焊连即可制成蜂窝梁。(1)梁的强度①抗弯强度单向弯曲梁与双向弯曲梁②抗剪强度③局部承压强度计算式中F——集中荷载，对动力荷载应乘以动力系数；——集中荷载增大系数，对重级工作制吊车轮压，=1.35；对其它荷载，=1.0；lz——集中荷载在腹板计算高度处的假定分布长度，对跨中集中荷载，lz=a+5hy+2hR；梁端支反力，lz=a+2.5hy+a1；a——集中荷载沿跨度方向的支承长度，对吊车轮压，无资料时可取50mm；hy——自梁顶至腹板计算高度处的距离；hR——轨道高度，梁顶无轨道时取hR=0；a1——梁端至支座板外边缘的距离，取值不得大于2.5hy。当计算不能满足时，对承受固定集中荷载处或支座处，可通过设置横向加劲肋予以加强，也可修改截面尺寸；当承受移动集中荷载时，则只能修改截面尺寸。④(2)梁的刚度(3)梁的整体稳定(4)梁的局部稳定和加劲肋的设置（2）腹板的局部稳定对于直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件和其它不考虑屈曲后强度的组合梁，腹板的局部稳定可以通过配置加劲肋来保证；对承受静力荷载或间接承受动力荷载的组合梁，宜考虑腹板的屈曲后强度，按规范规定计算其抗弯和抗剪承载力。这里只介绍不考虑屈曲后强度的梁腹板的局部稳定问题。组合梁腹板的加劲肋主要分为横向、纵向、短加劲肋和支承加劲肋几种情况，如图5-7所示。图5-7加劲肋配置hh0twa1ahh0twh2h1211ⅠⅡ21ⅠⅡahh0h2h1ahh0h2h1a1a1a1ⅠⅠⅠⅡ213(a)(b)(c)(d)加劲肋的设置纵向加劲肋横向加劲肋加劲肋的构造要求支承加劲肋支承加劲肋组合梁腹板在配置加劲肋之后，腹板被分成了不同的区段，各区段的受力不同。对简支梁而言，靠近梁端部的区段主要受剪力作用，跨中区段主要受正应力作用，其它区段则受正应力和剪应力的联合作用。对于受有集中荷载的区段，还承受局部压应力作用。组合梁腹板配置加劲肋的规定①当ywfth/23580/0时，对有局部压应力（c0）的梁，应按构造配置横向加劲肋。对无局部压应力（c=0）的梁，可不配置加劲肋。②当ywfth/23580/0时，应配置横向加劲肋并满足局部稳定计算要求。③当ywfth/235170/0（受压翼缘扭转受到约束，如连有刚性铺板、制动板或焊有钢轨时）或ywfth/235150/0（受压翼缘扭转未受到约束时），或按计算需要，应在弯曲压应力较大区格的受压区增加配置纵向加劲肋。当局部压应力很大时，必要时尚应在受压区配置短加劲肋。任何情况下，h0/tw均不应超过250yf/235。此处h0为腹板计算高度[对单轴对称梁，第③条中的h0应取为腹板受压区高度hc的2倍]，tw为腹板的厚度。④梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜设置支承加劲肋【例题5-2】图5-8（a）所示工作平台的普通工字钢简支次梁，截面为工32a，抹灰顶棚，跨度为7.5m，承受的静力荷载标准值为：恒载2kN/m2，活载4.2kN/m2。钢材为Q235，平台上有刚性铺板，可保证次梁整体稳定。验算次梁是否满足要求。解：次梁的计算简图如图5-8（b）所示。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009）的规定，其最不利组合为活载起控制作用，取恒载分项系数G=1.2，活载分项系数Q=1.3。图5-8例题5-2图(a)某工作平台主次梁布置；(b)次梁计算简图次梁上的线荷载标准值为qk=2.5×(2+4.2)=15.5kN/m线荷载设计值为qd=2.5×(1.2×2+1.3×4.2)=19.65kN/m跨中最大弯矩为Mmax=1/8×qd×l2=1/8×19.65×7.52=138.16kN·m支座处的最大剪力为V=1/2×qd×l=1/2×19.65×7.5=73.69kN工32a单位长度的质量为52.7kg/m，梁的自重为52.7×9.8=517N/m，Ix=11080cm4，Wx=692cm3，Ix/Sk=27.5cm，tw=9.5mm。(b)(a)4×2.5=10m4×2.5=10m2.5m7.5m7.5m7.5m7.5mABq5受弯构件设计次梁自重产生的弯矩为Mg=1.2×517×7.52/8×10-3=4.36kN·m次梁自重产生的剪力为Vg=1.2×517×7.5/2×10-3=2.33kN则弯曲正应力为23N/mm2151.1961069205.136.416.138fWMnxxx支座处最大剪应力为2N/mm1251.291095.05.2733.269.73vwfItVS跨中最大挠度为：全部荷载作用下mm30250][9.2810110801006.27500)52.05.15(384538454544lvEIlqvTTT可变荷载作用下mm4.21350][0.1910110801006.275005.22.4384538454544lvEIqlvQQ热轧型钢截面的局部稳定无须验算，因此该梁满足要求。主次梁的连接梁的拼接梁的拼接梁的支座铰轴式支座组合梁的拼接≥10tw~500~50012344556拉弯和压弯构件设计6.1拉弯和压弯构件的应用和破坏形式(1)拉弯构件同时承受轴线拉力和弯矩作用的构件称为拉弯构件。如图6-1（a）所示的偏心受拉的构件和图6-1（b）的有横向荷载作用的拉杆。如桁架下弦为轴心拉杆，但若存在非节点横向力，则为拉弯构件。在钢结构中拉弯构件的应用较少。在轴线拉力和弯矩的共同作用下，拉弯构件的承载能力极限状态是截面出现塑性铰。但对于格构式拉弯构件或冷弯薄壁型钢拉弯构件，截面边缘受力最大纤维开始